CN109545921A - 一种led芯片、led外延片及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种LED芯片、LED外延片及其制备方法，其中，LED外延片可以包括金属衬底、设置在金属衬底表面的GaN成核层、设置在GaN成核层表面的N型GaN层、设置在N型GaN层表面的多量子阱层、设置在多量子阱层表面的GaN阻挡层、设置在GaN阻挡层表面的P型GaN层。本申请公开的上述技术方案，直接利用金属衬底作为LED外延片的衬底，由于整个金属衬底都可以导电，因此，则可以对N型GaN层的电流实现扩展，以使电流均匀分布，从而可以提高内量子效率。另外，由于可以直接在金属衬底上设置电极，因此，则可以不再需要通过刻蚀来在N型GaN层上制备电极，从而可以增大LED外延片的有效发光区域。

Description

一种LED芯片、LED外延片及其制备方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，更具体地说，涉及一种LED芯片、LED外延片及其制备方法。

背景技术

Ⅲ族氮化物基半导体被称为继第一代Si和第二代GaAs之后的第三代半导体材料。相对于第一代和第二代半导体材料，第三代半导体材料因具有禁带宽度大、电子漂移速度快、介电常数小、导热性能好等特点而在光电子器件、高频高功率器件等领域中得到广泛的应用。

目前，固态光电子器件的主流结构依然是以电学驱动和外延薄膜P-N异质结来实现各种光电功能。从电学驱动方面来说，依然是追求更高的电注入和输出效率，进而提高光电(电光)转换效率，因此，这就直接涉及到P、N电导层的开发和性能的提升、以及电极材料的研究及其与电导层的接触匹配。在电极材料与电导层的接触匹配方面，现有的方式是在从下至上依次为蓝宝石衬底、GaN成核层、N型GaN层、多量子阱层、P型GaN层的LED(LightEmiting Diode，发光二极管)外延片的P型层上涂一层ITO(Indium Tin Oxide，氧化铟锡)材料，以实现对P型层电流的扩展，而对于N型层，则需要从P型层向下刻蚀到N型层，然后在N型层上制备电极。但是，这种对N型层进行电极制备的方法会使得N型层只有很小一部分能够与电极接触，因此，则使得N型层的电流无法得到扩展，使得N型层的电流分布不均匀，从而会对内量子效率造成影响。另外，上述对N型层进行电极制备的方法还会因刻蚀而减少LED外延片的有效发光区域。

综上所述，如何对N型层的电流进行扩展，以提高内量子效率，并增大LED外延片的有效发光区域，是目前本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种LED芯片、LED外延片及其制备方法，以对N型层的电流进行扩展，从而提高内量子效率，并增大LED外延片的有效发光区域。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种LED外延片，包括金属衬底、设置在所述金属衬底表面的GaN成核层、设置在所述GaN成核层表面的N型GaN层、设置在所述N型GaN层表面的多量子阱层、设置在所述多量子阱层表面的GaN阻挡层、设置在所述GaN阻挡层表面的P型GaN层。

优选的，还包括设置在所述金属衬底与所述GaN成核层之间的金属层、设置在所述GaN成核层表面的N型GaN纳米线层、及设置在所述N型GaN纳米线层且与所述N型GaN层相接触的N型GaN纳米线融合层。

优选的，所述金属层为镍层。

优选的，所述金属衬底为钼衬底。

优选的，所述多量子阱层为InGaN/GaN多量子阱层。

优选的，在所述InGaN/GaN多量子阱层中，InGaN的组分比例为15％，GaN的组分比例为85％。

优选的，所述InGaN/GaN多量子阱层为5周期结构，每个周期结构包括InGaN层、及GaN层。

一种LED芯片，包括如上述任一项所述的LED外延片。

一种LED外延片的制备方法，包括：

在清洗后的金属衬底表面生长GaN成核层，并在所述GaN成核层的表面生长N型GaN层；

在所述N型GaN层的表面生长多量子阱层，并在所述多量子阱层表面生长GaN阻挡层；

在所述GaN阻挡层表面生长P型GaN层，以制备LED外延片。

优选的，在清洗后的金属衬底表面生长GaN成核层之前，还包括：

在清洗后的所述金属衬底表面蒸镀金属层；

在清洗后的金属衬底表面生长GaN成核层之后，还包括：

在所述GaN成核层表面生长N型GaN纳米线层，并在所述N型GaN纳米线层表面生长N型GaN纳米线融合层。

本发明提供了一种LED芯片、LED外延片及其制备方法，其中，LED外延片可以包括金属衬底、设置在金属衬底表面的GaN成核层、设置在GaN成核层表面的N型GaN层、设置在N型GaN层表面的多量子阱层、设置在多量子阱层表面的GaN阻挡层、设置在GaN阻挡层表面的P型GaN层。

本申请公开的上述技术方案，直接利用金属衬底作为LED外延片的衬底，并依次在金属衬底上设置GaN成核层、N型GaN层、多量子阱层、GaN阻挡层、及P型GaN层，由于整个金属衬底都可以导电，因此，则可以对N型GaN层的电流实现扩展，以使电流均匀分布，从而可以提高内量子效率。另外，由于可以直接在金属衬底上设置电极，因此，则可以不再需要通过刻蚀来在N型GaN层上制备电极，从而可以增大LED外延片的有效发光区域。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种LED外延片的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的另一种LED外延片的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种LED外延片的制备方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参见图1，其示出了本发明实施例提供的一种LED外延片的结构示意图，可以包括金属衬底1、设置在金属衬底1表面的GaN成核层2、设置在GaN成核层2表面的N型GaN层3、设置在N型GaN层3表面的多量子阱层4、设置在多量子阱层4表面的GaN阻挡层5、设置在GaN阻挡层5表面的P型GaN层6。

LED外延片可以包括金属衬底1、及从下至上依次设置在金属衬底1上的GaN成核层2、N型GaN层3、多量子阱层4、GaN阻挡层5、及P型GaN层6。其中，GaN成核层2用于缓冲金属衬底1与N型GaN层3之间的晶格失配，从而提高LED外延片的质量；GaN阻挡层5用于防止多量子阱层4中的电子溢出到P型GaN层6而对P型GaN层6中所包含的空穴造成影响，其厚度可以在30nm左右；P型GaN层6的厚度可以为20nm。

对于上述结构的LED外延片，在P型GaN层6上制备电极时仍旧可以涂上ITO，以实现P型GaN层6的电流扩展，而对于N型GaN层3，则可以直接在金属衬底1上制备电极，由于整个金属衬底1均具有导电性，因此，利用金属衬底1可以对N型GaN层3的电流进行扩展，以使N型GaN层3的电流均匀分布，即上述结构的LED外延片可以使P型GaN层6、及N型GaN层3的电流均得到扩展，从而则可以提高LED外延片的内量子效率。

另外，由于金属衬底1本身具有导电性，因此，则可以直接将金属衬底1与电极相连，而不需要从P型GaN层6向下刻蚀到N型GaN层3而制备电极，即可以避免对P型GaN层6、多量子阱层4、及N型GaN层3所进行的刻蚀，从而可以增大LED芯片的有效发光区域。

本申请公开的上述技术方案，直接利用金属衬底作为LED外延片的衬底，并依次在金属衬底上设置GaN成核层、N型GaN层、多量子阱层、GaN阻挡层、及P型GaN层，由于整个金属衬底都可以导电，因此，则可以对N型GaN层的电流实现扩展，以使电流均匀分布，从而可以提高内量子效率。另外，由于可以直接在金属衬底上设置电极，因此，则可以不再需要通过刻蚀来在N型GaN层上制备电极，从而可以增大LED外延片的有效发光区域。

参见图2，其示出了本发明实施例提供的另一种LED外延片的结构示意图。本发明实施例提供的一种LED外延片，还可以包括设置在金属衬底1与GaN成核层2之间的金属层7、设置在GaN成核层2表面的N型GaN纳米线层8、及设置在N型GaN纳米线层8且与N型GaN层3相接触的N型GaN纳米线融合层9。

考虑到金属衬底1与GaN之间存在一定的晶格失配，因此，为了减少金属衬底1与N型GaN层3之间因晶格失配而导致的应力，并减少晶格失配所引起的位错和缺陷，从而提高LED芯片的质量和性能，则可以利用N型GaN纳米线层8来释放由于晶格失配所导致的应力，并减少N型GaN层3中的位错和缺陷。具体地，可以在金属衬底1与GaN成核层2之间设置金属层7，并在GaN成核层2的表面设置N型GaN纳米线层8、且在N型GaN纳米线层8的表面设置与N型GaN层3相接触的N型GaN纳米线融合层9。

其中，所设置的金属层7是为了便于后续生长N型GaN纳米线层8，其厚度约为30nm，所设置的N型GaN纳米线融合层9是为了使N型GaN纳米线层8中所包含的N型GaN纳米线由垂直方向变为水平方向，以便于后续生长N型GaN层3。

本发明实施例提供的一种LED外延片，金属层7可以为镍层。

设置在金属衬底1与GaN成核层2之间的金属层7具体可以为镍层，以便于后续可以更好地生长N型GaN纳米线层8。

本发明实施例提供的一种LED外延片，金属衬底1可以为钼衬底。

LED外延片中所使用的金属衬底1具体可以为钼衬底，其不仅可以对N型GaN层3的电流进行扩展，增大LED外延片的有效发光区域，而且还可以提高LED外延片的散热性能，提高最终所制备出的LED芯片的光输出功率，并可以延长LED外延片、及LED芯片的使用寿命。

本发明实施例提供的一种LED外延片，多量子阱层4可以为InGaN/GaN多量子阱层。

LED外延片中的多量子阱层4具体可以为InGaN/GaN多量子阱层。当然，也可以为其他结构的多量子阱层。

本发明实施例提供的一种LED外延片，在InGaN/GaN多量子阱层中，InGaN的组分比例为15％，GaN的组分比例为85％。

在InGaN/GaN多量子阱层中，InGaN的组分比例可以为15％，GaN的组分比例可以为85％，以提高LED外延片的性能。

本发明实施例提供的一种LED外延片，InGaN/GaN多量子阱层可以为5周期结构，每个周期结构可以包括InGaN层、及GaN层。

InGaN/GaN多量子阱层可以为5周期结构，每个周期结构均可以包括InGaN层、及GaN层，即在InGaN/GaN多量子阱层中，InGaN层、及GaN层可以交替生长5个周期。其中，InGaN层的厚度可以为8nm，GaN层的厚度可以为3nm。

本发明实施例还提供了一种LED芯片，可以包括上述任一种LED外延片。

可以将上述任一种LED外延片应用在LED芯片中。由于上述任一种LED外延片均直接利用金属衬底1作为衬底，因此，则可以使LED外延片中的N型GaN层3的电流得到扩展，从而可以提高LED芯片的内量子效率。而且由于不需要通过刻蚀来在N型GaN层3上制备电极，因此，可以增大LED外延片、及LED芯片的有效发光区域，从而提高LED芯片的性能。

本发明实施例还提供了一种LED外延片的制备方法，参见图3，其示出了本发明实施例提供的一种LED外延片的制备方法的流程图，可以包括：

S11：在清洗后的金属衬底表面生长GaN成核层，并在GaN成核层的表面生长N型GaN层。

可以利用MOCVD(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition，金属有机化学气相沉积)法来制备LED外延片，其具有生长易于控制、可大规模生长、外延层面积大且均匀性良好等特点。

具体地，将金属衬底清洗干净，并将清洗干净的金属衬底放置在MOVCD反应室内，在650℃左右的温度下通入Ga源、氮源，以在金属衬底上成核，从而在金属衬底上生长出GaN成核层，然后，在1050℃左右的温度下通入Ga源、氮源和N型掺杂源，生长60min的N型GaN层。其中，Ga源具体可以为三甲基镓，氮源具体可以为氨气，N型掺杂源具体可以为硅烷。

由于金属衬底具有导电性，因此，则可以利用金属衬底对N型GaN层的电流实现扩展，以使N型GaN层的电流均匀分布，从而提高内量子效率。另外，由于可以直接在金属衬底上设置电极，因此，则可以不再需要通过刻蚀而在N型GaN层上制备电极，从而可以增大LED外延片的有效发光区域。

S12：在N型GaN层的表面生长多量子阱层，并在多量子阱层表面生长GaN阻挡层。

在生长完N型GaN层之后，可以在N型GaN层上生长多量子阱层，并在多量子阱层生长一层GaN阻挡层，其厚度可以为30nm。

S13：在GaN阻挡层表面生长P型GaN层，以制备LED外延片。

然后，可以通入Ga源、氮源和P型掺杂源，以在GaN阻挡层上生长P型GaN层，其厚度可以为20nm，最终制备得到LED外延片。其中，所用到的P型掺杂源具体可以为二茂镁等。

本发明实施例提供的一种LED外延片的制备方法，在清洗后的金属衬底表面生长GaN成核层之前，还可以包括：

在清洗后的金属衬底表面蒸镀金属层；

在清洗后的金属衬底表面生长GaN成核层之后，还可以包括：

在GaN成核层表面生长N型GaN纳米线层，并在N型GaN纳米线层表面生长N型GaN纳米线融合层。

考虑到金属衬底与GaN之间存在一定的晶格失配，因此，为了减少金属衬底与N型GaN层之间因晶格失配而导致的应力，并减少晶格失配所引起的位错和缺陷，则可以生长N型GaN纳米线层，以释放由于晶格失配导致的应力，减少N型GaN纳米线层以上GaN层的位错和缺陷。

具体地，在清洗后的金属衬底表面生长GaN成核层之前，可以先在清洗干净的金属衬底上蒸镀一层金属层，其厚度大约为30nm，然后，将镀有金属层的金属衬底放置在MOCVD反应室内，以利用MOCVD法在金属层上生长GaN成核层。之后，将生长有GaN成核层的金属衬底从MOCVD反应室内取出，并放入HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy，氢化物气相外延)反应室内，以利用HVPE法低温生长N型GaN纳米线层，其生长温度约为650℃，生长15min后升高温度至900℃，以促进N型GaN纳米线层中所包含的N型GaN纳米线的横向生长，继续生长30min，此时，N型GaN纳米线的顶端融合，得到N型GaN纳米线融合层，随后，则将带有N型GaN纳米线融合层的金属衬底从HVPE反应室内取出，并进行冷却，然后放入MOCVD反应内，继续N型GaN层、及其他层的生长。

本发明实施例提供的一种LED外延片的制备方法中相关部分的具体说明可以参见本发明实施例提供的一种LED外延片中对应部分的详细说明，在此不再赘述。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。另外，本发明实施例提供的上述技术方案中与现有技术中对应技术方案实现原理一致的部分并未详细说明，以免过多赘述。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种LED外延片，其特征在于，包括金属衬底、设置在所述金属衬底表面的GaN成核层、设置在所述GaN成核层表面的N型GaN层、设置在所述N型GaN层表面的多量子阱层、设置在所述多量子阱层表面的GaN阻挡层、设置在所述GaN阻挡层表面的P型GaN层。

2.根据权利要求1所述的LED外延片，其特征在于，还包括设置在所述金属衬底与所述GaN成核层之间的金属层、设置在所述GaN成核层表面的N型GaN纳米线层、及设置在所述N型GaN纳米线层且与所述N型GaN层相接触的N型GaN纳米线融合层。

3.根据权利要求2所述的LED外延片，其特征在于，所述金属层为镍层。

4.根据权利要求1所述的LED外延片，其特征在于，所述金属衬底为钼衬底。

5.根据权利要求1至4任一项所述的LED外延片，其特征在于，所述多量子阱层为InGaN/GaN多量子阱层。

6.根据权利要求5所述的LED外延片，其特征在于，在所述InGaN/GaN多量子阱层中，InGaN的组分比例为15％，GaN的组分比例为85％。

7.根据权利要求6所述的LED外延片，其特征在于，所述InGaN/GaN多量子阱层为5周期结构，每个周期结构包括InGaN层、及GaN层。

8.一种LED芯片，其特征在于，包括如权利要求1至7任一项所述的LED外延片。

9.一种LED外延片的制备方法，其特征在于，包括：

在清洗后的金属衬底表面生长GaN成核层，并在所述GaN成核层的表面生长N型GaN层；

在所述N型GaN层的表面生长多量子阱层，并在所述多量子阱层表面生长GaN阻挡层；

在所述GaN阻挡层表面生长P型GaN层，以制备LED外延片。

10.根据权利要求9所述的LED外延片的制备方法，其特征在于，在清洗后的金属衬底表面生长GaN成核层之前，还包括：

在清洗后的所述金属衬底表面蒸镀金属层；

在清洗后的金属衬底表面生长GaN成核层之后，还包括：

在所述GaN成核层表面生长N型GaN纳米线层，并在所述N型GaN纳米线层表面生长N型GaN纳米线融合层。